專利名稱：用于燃料電池堆的作為自動調節啟動電阻器的正溫度系數元件的制作方法
技術領域：
本發明涉及燃料電池的運行。更具體地，本發明涉及調節氫燃料電池堆的啟動和 停止的改進方法。
背景技術：
就用于汽車推進目的所需的燃料電池而言，對于燃料電池，快速實現全功率變得 重要。這需要從環境溫度快速增加到正常運行溫度。電化學燃料電池把燃料和氧化劑轉化為電、反應產物(例如在氫供燃料和氧氣氧 化的燃料電池例子中為水)和熱量。典型的，燃料電池具有從分隔燃料和氧化劑的膜電極 組裝件("MEA" )。MEA是發生反應的場所并且包含加速反應所需的催化劑。MEA能被在陽極中同時存在的空氣和氫所損害。損害的程度取決于電池的電壓，電 壓越高，導致的損害越大。最有可能發生損害的時候是在燃料電池啟動期間。因為燃料電池典型的產生低電壓，它們通常組織成多電池串聯連接的堆。這樣允 許它們聯合以產生更高的電壓。加速達到適當功率水平的一個方法是使燃料電池堆一起將燃料電池短路。這壓制 引起燃料電池產生額外熱量的電壓，該額外熱量是由通過短路元件提供的電阻加熱而補充 的。來自兩個來源的額外的熱量可以加快電池達到正常運行溫度，其能夠獲得更高的效率。
發明內容
本發明解決了怎樣經濟地調節燃料電池來保持其在低電平的問題。該解決辦法將 使用作為短路電阻器的正溫度系數(PTC)元件。該PTC元件具有在低運行溫度(例如低于 40°C)下的低電阻，和在正常運行溫度例如80°C的高電阻。借助從四毫歐改變到四歐姆的 電阻，PTC可以起到熱控開關的作用。使用該PTC可以在啟動期間保持低電壓以限制對MEA中的催化劑層的損害，該損 害由于啟動期間在陽極中存在空氣和氫而產生。這可以有助于延長燃料電池壽命。在一個實施方案中，燃料電池組裝件包含至少一對間隔開的板；位于該板之間的 膜；以及電連接在所述板之間的正溫度系數元件，其中在燃料電池啟動期間所述元件限制 燃料電池產生的電壓，直到燃料電池達到正常運行溫度。在另一個實施方案中，該燃料電池組裝件包含設置在堆中正端鈕和負端鈕之間的 多個雙極板；多個膜，每個膜位于相鄰板之一的相關對之間；以及電連接到該堆的正溫度 系數電壓限制部件，其中在燃料電池的啟動期間，該限制部件限制燃料電池產生的電壓，直 到燃料電池達到正常運行溫度。
在另一個實施方案中，該燃料電池組裝件包含設置在堆中正端鈕和負端鈕之間的 多個雙極板；多個膜，每個膜位于相鄰板之一的相關對之間；以及多個正溫度系數元件，每 一個位于形成在膜之一的開口中和電連接在板的相關對之間，其中在燃料電池的啟動期間 該限制部件限制燃料電池產生的電壓，直到燃料電池達到正常運行溫度。本發明涉及以下技術方案1、一種燃料電池，包括至少一對間隔開的板；位于所述板之間的膜；以及在所述板之間電連接的正溫度系數元件，其中在該燃料電池的啟動期間所述元件 限制由該燃料電池產生的電壓，直到該燃料電池達到正常運行溫度。2、根據技術方案1所述的燃料電池，其中所述元件位于形成在所述膜中的開口處 并且在所述至少一對板之間電連接。3、根據技術方案2所述的燃料電池，其中所述元件連接至所述板之一。4、根據技術方案2所述的燃料電池，包括位于所述元件和所述板之一之間的所述 開口中的彈簧。5、根據技術方案1-4任一項所述的燃料電池，其中所述元件具有與所述板的接觸 區域，該接觸區域少于100平方毫米。6、根據技術方案1-5任一項所述的燃料電池，其中所述元件通過絲網印墨形成。7、根據技術方案1-6任一項所述的燃料電池，其中該燃料電池包括設置在堆中的 多個所述板，所述膜之一位于每個相鄰對的所述板之間以及所述元件之一連接在每個相鄰 對的板之間。8、根據技術方案6所述的燃料電池，其中所述元件交錯排列在相鄰的所述膜上。9、根據技術方案1-8任一項所述的燃料電池，其中所述元件為20到40微米厚。10、根據技術方案1-9任一項所述的燃料電池，其中所述元件是硅控整流器。11、一種燃料電池，包括設置在堆中正端鈕和負端鈕之間的多個雙極板；多個膜，每一個所述膜位于相關對的相鄰的所述板之間；以及與所述堆電連接的正溫度系數電壓限制部件，其中在該燃料電池的啟動期間所述 限制部件限制由該燃料電池產生的電壓，直到該燃料電池達到正常運行溫度。12、根據技術方案11所述的燃料電池，其中所述限制部件包括多個正溫度系數元 件，其中的每一個位于所述膜之一中形成的開口處并且在所述相關對的板之間電連接。13、根據技術方案11或12所述的燃料電池，其中每一個所述元件連接在所述相關 板之一上并且包括位于在所述元件和所述相關板的另一個之間的所述開口中的彈簧。14、根據技術方案11、12或13所述的燃料電池，其中所述元件交錯排列在相鄰的 所述膜上。15、一種燃料電池，包括設置在堆中正端鈕和負端鈕之間的多個雙極板；多個膜，每一個所述膜位于相關對的相鄰的所述板之間；以及多個正溫度系數元件，每一個所述元件位于形成在所述膜之一中的開口處并且在連接，其中在該燃料電池的啟動期間所述限制部件限制由該燃料電 池產生的電壓，直到該燃料電池達到正常運行溫度。16、根據技術方案15所述的燃料電池，其中每一個所述元件連接在所述相關板之 一上并且包括位于在所述元件和所述相關板的另一個之間的所述開口中的彈簧。17、根據技術方案15或16所述的燃料電池，其中所述元件交錯排列在相鄰的所述膜上。18、根據技術方案15、16或17所述的燃料電池，其中所述元件為20到40微米厚。
本發明的上述，以及其他優點，對于本領域技術人員來說，在考慮到附圖時從以下 優選實施方案的說明中，將會變得顯而易見，其中圖1是PTC元件的典型的電阻/溫度特生圖表；圖2是對于典型的啟動，燃料電池堆電壓、PTC元件電流和PTC元件溫度相對時間 的圖表；圖3是具有單PTC元件的燃料電池堆的示意圖；圖4是具有嵌入在膜中的PTC元件的燃料電池的示意圖；圖5是具有用于共同短路電池的嵌入的PTC元件的兩個燃料電池的局部透視圖；圖6是結合圖5所示的結構的燃料電池堆的示意圖；以及圖7是在啟動期間比較低電阻的情況和高電阻的情況的電池電壓、堆空氣流和堆 氫流的圖表。
具體實施例方式以下詳細說明和
和示例本發明的各種具體實施方案。該說明書和附圖使 本領域技術人員能夠制造和使用本發明，以及并不想要以任何方式限制本發明的范圍。關 于公開的方法，所列步驟在本質上是示例性的，因而，步驟的順序不是必須的或嚴格的。本發明利用正溫度系數(PTC)元件作為針對燃料電池堆的短路電阻器。圖1所示 為典型PTC元件的電阻特性的例子，在圖1中可以發現，定義特征為在最小溫度之后電阻隨 著溫度急劇增加。PTC元件的使用是在啟動時控制燃料電池堆電壓以使其產生更多的熱量 并且因此快速達到更有效率的運行溫度的經濟的方法。該PTC元件通過壓制燃料電池的電 壓而工作，這使燃料電池高效產生熱量并且低效產生電流。而且PTC元件提供的電阻熱量 可以有助于堆快速達到正常運行溫度。在燃料電池啟動時PTC元件位于溫度TN，可能低于40°C。在該溫度PTC元件具有 低電阻Rn，該低電阻將使電壓下降和阻止膜的退化。PTC元件將隨著時間加熱并改變其電 阻。在溫度TKef2上電阻呈指數增加并且自我限制。在40°C和80°C之間材料的電阻系數 可以增加大約三個數量級，得到熱控“開關”。典型的PTC元件大約是1300微米厚。這引起對于130mm2面積的元件，電阻(Rltef) 為大約五歐姆。本發明需要大約毫歐的“開啟”電阻。這可以通過減少厚度和/或增加元 件的接觸面積而完成。在燃料電池應用中優選的是保持大約IOOmm2或更少的接觸面積。這 需要PTC材料將是大約20到40微米厚。
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本發明在燃料電池堆中使用PTC元件作為短路電阻器以在斷電之后消散堆的能 量并且作為啟動電阻器以提供電阻熱量以有助于加熱堆。PTC元件一直電連接(橫跨整個 燃料電池堆或在堆的每一個電池之間)。不管PTC元件是四毫歐電阻(關閉)還是四歐姆 電阻(打開)，其能通過堆冷卻溫度控制，優選通過冷卻劑入口溫度控制。在停止階段流向 堆的反應物停止但是堆內具有將保持高電平的殘余反應物。在短期周期的堆里的低溫冷卻 劑(< 40°c )的連續流會使PTC元件冷卻并且變“短路”，耗盡反應物并且使堆放電。圖2 示出典型啟動的堆電壓、PTC電流和PTC溫度波形。在本發明的第一實施方案中，只有一個具有散熱器或連接到堆(例如冷卻劑出 口)的PTC元件將被連接到堆。在圖3中，燃料電池堆具有冷卻劑進口 12和冷卻劑出口 14。在正端鈕16和負端鈕18之間連接的負載(未示出)上產生電功。PTC元件20位于 冷卻劑出口 14上并且在端鈕16和18之間連接。該元件20需要為高壓(高達450VDC)設 計，該高壓需要更厚的PTC元件以避免在高壓下短路和大的接觸面積以在合理的時間內讓 “開啟”電阻下降到堆10放電的水平。PTC元件20跨越整個堆電連接并且熱連接到冷卻劑 出口 14。PTC元件保持低電阻模式的時間量取決于其能量消耗和傳遞到冷卻劑的熱量的組 合。本實施方案具有單一電連接和僅有一個PTC元件的優點。然而，在充電和放電循環中 如果任意單電池缺乏反應物，本實施方案可能導致腐蝕。在本發明的第二實施方案中，薄PTC元件能夠集成在每個雙極板或膜上。如圖4 所示，板22和24位于膜26的相對側。PTC元件28位于形成在膜26中的腔30中。絲網印 刷的PTC墨可以是一個選項，只要其展示出如上述圖1所示的相同的溫度/電阻特性即可。 在打印設計中，每一個電池PTC元件的優選位置靠近冷卻劑進口頭部。該區域沒有反應物 和冷卻劑接觸，然而很好地熱連接到冷卻劑。來自相鄰電池的封裝負荷(seal load)將提 供對于耐受量相對不敏感的接觸力。圖4中，該PTC元件28在32連接到上板22。板簧34位于PTC元件28和下板24 之間以增強電接觸。圖5更詳細的示出嵌入PTC元件的實施方案。PTC元件28的位置能夠在鄰接電池 單元上交錯以更好地利用電池重復距離。用于每一個電池的膜26 (或子墊圈或承載物)中 的開口 30需要允許該板通過PTC元件28短路。以這種方式配置的堆36將基本上具有如 圖6的電等效電路所示的跨越每一個電池的PTC元件。該配置保持簡單電連接，但是提供 對于每一個電池的唯一電流路徑，從而消除反應物分配和腐蝕問題。在關閉之后的啟動期間燃料電池堆的陽極和陰極側都填充有空氣。氫氣首先供應 到陽極側，其導致在陽極側上的H2-空氣前緣，和在陰極側的空氣。在該初始階段電池電壓 決定電極損壞的速度；電壓越高，電催化劑層的退化速度越高。優選的，使用電阻元件以降 低啟動期間的電壓，其中更小的電阻器帶來更低的電壓并因此更低的退化速度。然而，更小 的電阻器由于在接觸器的可靠性上的封裝限制而難以在堆中使用。硅控整流器(SCR)可以 作為燃料電池堆中的電阻元件。圖7示出啟動程序期間電池電壓和空氣和氫氣流速的圖表。情況1(40)和情況 2(42)中的電池電壓示為用于兩種不同的電阻值的示例，Rwsll << Rwk2以突出更小的電 阻的需要。設計的SCR元件在啟動時具有很小的電阻并因此能夠用作啟動-停止電阻器。 空氣流速由線44示出以及氫氣流速由線46示出。
依據本發明的設備消除了昂貴的啟動/停止繼電器和外部控制，并且比繼電器更 易于封裝。在冷啟動期間，由于電池整體短路，在短時間內每一個電池會產生非常小的電壓 (以及很多熱量)。額外的熱量非常有助于加熱堆到運行溫度。如前所述，本領域技術人員能夠容易地確定本發明的本質特征以及，在不脫離其 精神和范圍的情況下，對本發明作出各種改變和修改以使其適應各種用途和條件。
權利要求
一種燃料電池，包括至少一對間隔開的板；位于所述板之間的膜；以及在所述板之間電連接的正溫度系數元件，其中在該燃料電池的啟動期間所述元件限制由該燃料電池產生的電壓，直到該燃料電池達到正常運行溫度。
2.根據權利要求1所述的燃料電池，其中所述元件位于形成在所述膜中的開口處并且 在所述至少一對板之間電連接。
3.根據權利要求2所述的燃料電池，其中所述元件連接至所述板之一。
4.根據權利要求2所述的燃料電池，包括位于所述元件和所述板之一之間的所述開口 中的彈簧。
5.根據權利要求1-4任一項所述的燃料電池，其中所述元件具有與所述板的接觸區 域，該接觸區域少于100平方毫米。
6.根據權利要求1-5任一項所述的燃料電池，其中所述元件通過絲網印墨形成。
7.根據權利要求1-6任一項所述的燃料電池，其中該燃料電池包括設置在堆中的多個 所述板，所述膜之一位于每個相鄰對的所述板之間以及所述元件之一連接在每個相鄰對的 板之間。
8.根據權利要求6所述的燃料電池，其中所述元件交錯排列在相鄰的所述膜上。
9.根據權利要求1-8任一項所述的燃料電池，其中所述元件為20到40微米厚。
10.根據權利要求1-9任一項所述的燃料電池，其中所述元件是硅控整流器。
全文摘要
本發明涉及用于燃料電池堆的作為自動調節啟動電阻器的正溫度系數元件。至少一個正溫度系數元件，用于在啟動和關閉期間有效控制燃料電池電壓，使燃料電池更有效和保護電催化劑層。
文檔編號H01M8/04GK101916870SQ20101024510
公開日2010年12月15日 申請日期2007年10月16日 優先權日2006年10月16日
發明者B·安德里斯-肖特, B·拉克什馬南, G·W·斯卡拉, J·A·羅克, M·W·墨菲, R·S·富利 申請人:通用汽車環球科技運作公司